碳納米材料因具備高的導電性、優異的化學穩定性、獨特的微觀結構等物理性質，在環境、能源、催化、電子器件和聚合物等領域有著廣泛的應用。特別是擁有高的比表面積、多孔結構、理想的雜原子摻雜等特征的碳納米材料，其應用將更加具有競爭力。傳統碳化低蒸氣壓的自然產物（如纖維素和淀粉）很難控制所得碳材料的微觀結構和雜原子摻雜。與此同時，使用合成聚合物為前驅物制備碳納米材料過程復雜緩慢，且不易規模化生產。因此，開發簡單、廉價、可控的方法宏量制備碳納米材料依然面臨巨大挑戰。
近日，中國科學技術大學俞書宏教授和梁海偉教授研究團隊發展了一種過渡金屬鹽催化有機小分子碳化的合成新途徑，實現了在分子層面可控的宏量合成多孔摻雜碳納米材料。該研究成果以“Transition metal-assisted carbonization of small organic molecules toward functional carbon materials”為題，發表在7月27日出版的《科學進展》上（Science Advances 2018, 4, eaat0788），論文第一作者是博士后吳振禹和碩士生許實龍。
（A）過渡金屬輔助碳化有機分子制備碳納米材料的示意圖；（B）該方法所使用的有機小分子前驅物的結構
有機小分子因其廣泛存在、種類多樣、元素豐富，是一種理想的制備碳納米材料的前驅體。但在高溫下有機小分子高的揮發性使得其作為原料制備碳納米材料必須使用復雜方法和設備，如化學氣相沉積和高壓密閉合成。迄今為止，仍缺乏簡單有效的方法碳化有機小分子來制備碳納米材料。針對上述挑戰，研究人員提出了一種過渡金屬輔助有機分子碳化的方法，通過使用過渡金屬鹽輔助熱解有機小分子（見上圖A）來制備碳納米材料。在高溫熱解的過程中，過渡金屬鹽不僅能夠提高小分子的熱穩定，還能催化其聚合優先形成相應的聚合物中間體，避免有機小分子在高溫熱解中揮發從而最終形成碳納米材料。他們發現至少15種有機小分子（見上圖B）和9種過渡金屬鹽可以作為碳前驅物和催化劑來制備相應的碳基納米材料，同時多種硬模板可以用在該方法中來提高所得材料的比表面積和多孔性。研究結果表明，該方法是一種普適、簡單、高效的碳納米材料的合成方法。
運用這種方法制備的碳材料具有三種微觀結構：竹節狀的多壁納米管、微米尺度的片和無規則的顆粒。這些碳納米材料比表面積和孔體積最高可達1202 m2g-1和2.16 cm3g-1，并具有豐富的雜原子，如硫元素的含量最高可達13.35%，氮元素的含量可達6.44%，還具有很高的石墨化程度。該法制備的多孔碳納米材料在選擇性乙苯氧化、硝基苯氫化、析氫反應、氧還原反應中均表現出優異的催化性能，是一類理想的多相催化劑和電催劑。
這項研究為高效制備碳納米材料提供了一種普適的合成路線，對今后發展合成具有理想結構和成分的碳納米材料具有指導意義。
這項工作受到國家自然科學基金委創新研究群體、國家自然科學基金重點基金、國家重大科學研究計劃、中國科學院前沿科學重點研究項目、中國科學院納米科學卓越創新中心、蘇州納米科技協同創新中心、合肥大科學中心卓越用戶基金、中組部青年千人計劃、博新計劃等資助。
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